与发散照明源一起使用的高对比度后投影屏幕的制作方法

本公开总体上涉及显示技术，特别是后投影屏幕。

背景技术：

传统的后投影屏幕使用磨砂屏幕形式的薄扩散层。图像投影到扩散层的背面，在这里它扩散和散射到观看环境中。扩散层提供图像表面且其扩散性质用于增大视角，图像从所述视角可以被观察。通常，这些简单的扩散层投影屏幕在灯火通明的空间中具有很差的对比度。该很差的对比度至少部分地是由于环境光散射回观看环境中，因此有害地影响了后透明屏幕的黑色水平和对比度。

图1A和1B示出了传统的后投影屏幕50，其采用嵌入在平面玻璃板60上的黑色粘合剂61中的小玻璃球62。从顶侧看，大部分屏幕表面由黑色粘合剂61覆盖，因此减少了环境光的反向反射(back reflections)，并且改善了显示屏幕的对比度。每个玻璃球62形成通过黑色粘合剂61的窄通道，并且将入射光通过针孔66聚焦，针孔66与对应的玻璃球62自对准。玻璃球62聚集大部分后侧入射光且将其通过针孔66聚焦。图1B示出了垂直于后投影屏幕50的同轴光(on-axis light)64由玻璃球62通过针孔66聚焦的情形。然而，离轴光65(图1A所示)必须采用菲涅耳透镜63弯曲。菲涅耳透镜63作用以接收倾斜入射光且将其弯曲，使得光以接近法向角通过玻璃球62入射到玻璃板60。离轴光65必须弯曲到法线轨道以保持在屏幕前侧上的角亮度均匀性。这样的设计作用以保持屏幕输出效率，同时增加灯火通明空间中的屏幕对比度。然而，它要求后侧入射光以接近法向角入射以实现可接受的角亮度均匀性，并且利用菲涅耳透镜63实现。

图1C和1D示出了另一个传统的后投影屏幕75。后投影屏幕75以类似于后投影屏幕50的方式作用。后投影屏幕75包括小透镜(lenslets)83的阵列，所述小透镜83被遍及基板82的后表面复制，基板82具有深色材料层81，所述深色材料层81在顶表面上被图案化。深色材料81采用指向小透镜83的高功率激光图案化。小透镜83将光束聚焦到深色材料81以燃烧或熔化掉自对准到小透镜83的针孔。与后投影屏幕50类似，入射光必须沿着基本上垂直或正交于基板82表面的方向指向到小透镜83上。再者，利用菲涅耳透镜84实现法向入射。这样的设计也作用为保持屏幕输出效率，同时提高灯火通明空间中的屏幕对比度。然而，如前面一样，它要求后侧入射光以接近法向角入射以实现可接受的角亮度均匀性，并且利用菲涅耳透镜84实现。

附图说明

本发明的非限制性和非穷尽的实施例参考下面的附图描述，其中类似的附图标记在不同的图中表示类似的部件，除非另有规定。附图不必按比例，而是重点放在说明要描述的原理。

图1A和1B(现有技术)示出了传统的后投影屏幕，其利用菲涅耳透镜实现光的接近法向入射。

图1C和1D(现有技术)示出了另一个传统的后投影屏幕，其利用菲涅耳透镜实现光的接近法向入射。

图2是示出根据本公开实施例的后投影显示器的功能层的透视图。

图3A是根据本公开实施例的后投影显示器的功能层的横截面图。

图3B示出了根据本公开实施例、后投影显示器如何平铺以形成较大的无缝显示器。

图3C示出了根据本公开实施例的与由发散光照射的后投影显示器相关的角亮度均匀性问题。

图4是示出根据本公开实施例的后投影屏幕一部分的横截面图。

图5是示出根据本公开实施例的采用波长转换层的后投影屏幕一部分的横截面图。

图6A-C示出了根据本公开实施例的各种透镜体系结构。

具体实施方式

这里描述了与发散照明源一起使用的高对比度后投影屏幕的装置、系统和制造方法的实施例。在下面的描述中，很多具体细节阐述为提供实施例的透彻理解。然而，相关技术领域的技术人员应理解，这里描述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或采用其它方法、部件、材料等实施。在其它情况下，已知的结构、材料或操作没有示出或详细描述以避免混淆特定的方面。

本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的称谓意味着结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在该说明书中不同地方出现的词语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全部表示相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。

图2和3A示出了根据本公开实施例的后投影显示器200的功能层。图2是显示器200的层的透视图，而图3A是它们的横截面图。显示器200的所示实施例包括照明层205、显示层210和屏幕层215。照明层205的所示实施例包括照明源阵列220和透镜化层221(为了清楚起见仅示出在图3A中)。显示层210的所示实施例包括由间隔区域235彼此分开的透射像素阵列230。屏幕层215的所示实施例被分成用于显示整体统一图像的图像部分250的区域。后投影显示器200由多个像素构成，其每一个包括照明源220、透射像素阵列230和用于显示图像部分250的屏幕区域，全部排列在通过显示器200的列内。

在所示的实施例中，每个照明源220在对应像素阵列230下排列以用灯光照射对应像素阵列的后侧。照明源220可实施为独立的光源(例如，彩色或单色LEDs、量子点等)，以发射具有限定的角展度或角锥的光而充分照明位于显示层210之上的它们对应的透射像素阵列230。照明层205和显示层210彼此分开固定距离245(例如，8mm)。该分开可采用透明中间物(例如，玻璃或塑料层)实现，并且可进一步包括一个或多个透镜化层221(包括透镜、光圈、光束限制器等)以控制或操纵从照明源220发射的灯光的角范围和横截面形状。在一个实施例中，照明控制器可耦合到照明源220以控制它们的照明强度。照明层205可包括其上设置照明源220的基板。

透射像素阵列230设置在显示层210上，并且其每一个包括透射像素的阵列(例如，100个像素乘100个像素)。在一个实施例中，透射像素可实施为背光液晶像素。每个透射像素阵列230是独立的显示阵列，在显示层210上与相邻透射像素阵列230由间隔区域235分开。将相邻像素阵列230彼此分开的内部间隔区域235的宽度可为周边间隔区域235的两倍，周边间隔区域235将给定的像素阵列230与显示层210的外边缘分离。在一个实施例中，内部间隔区域235具有4mm的宽度，而周边间隔区域235具有2mm的宽度。当然，可实施其它的尺寸。

如所示，透射像素阵列230在显示层210上分隔成具有间隔区域235的矩阵，该间隔区域分开每个透射像素阵列230。在一个实施例中，透射像素阵列230的每一个表示显示像素(例如，背光LCD像素)的分开的和独立的阵列。间隔区域235显著地大于给定透射像素阵列230的像素之间的像素间分隔。间隔区域235为布置信号线或包括例如显示控制器的附加电路，提供改进的灵活性。沿着显示层210的外周边设置的间隔区域235还提供用于显示器200的边框修饰206的空间。边框修饰206作用为用于显示器200的外壳的侧面。沿着外周边设置的间隔区域235还提供用于电源和/或通信端口的空间。

尽管图2将显示层210显示为包括排列成两行和三列的六个透射像素阵列230，但是应理解，显示器200的各种实施方式可包括组织成不同行列组合的更多或更少的透射像素阵列230。这样，在具有一比一的照明源220对透射像素阵列230的比率的实施例中，照明层205上的照明源220的数量和布局也可变化。尽管为了清楚图2没有示出在三个示出层之间的插入层，但是应理解，实施例可包括各种插入的光学或结构子层，例如透镜阵列、提供机械刚度和光学偏移的透明基板、保护层或其它。下面将讨论屏幕层215的各种实施例的子层的进一步细节。

透射像素阵列230在显示器控制器的控制下转换以调制灯光和将图像部分250投影到屏幕层215的后侧上。在各种实施例中，屏幕层215包括磨砂材料(或者适合于后投影的扩散材料)，其设置在提供机械支撑的透明基板上。图像部分250在屏幕层215上共同混合在一起，以从屏幕层215的观看侧给观看者呈现基本上没有接缝的统一图像。换言之，由透射像素阵列230产生的图像在它们投影在显示层210和屏幕层215之间的间隔255(例如，2mm)上时被放大。图像部分250足够放大以延伸在间隔区域235之上且将其覆盖以形成无缝的统一图像。放大系数取决于间隔255和由照明源220发射的灯光的角展度。在一个实施例中，图像部分250放大近似1.5的系数。统一的图像不仅覆盖内部间隔区域235，而且覆盖周边的间隔区域235。这样，显示器200可定位为相邻于其它的显示器拼块(tile)200，并且可通信地互联以形成较大的复合无缝显示器，在此情况下，由单一显示器拼块产生的统一图像变为多拼块统一图像的子部分(例如，见图3B)。

在平铺的后投影体系结构中，例如图2和3A所示的一个结构，入射在屏幕层215上的显示光没有校准。该发散光可导致在屏幕层215上的不同位置的角亮度变化。如图3C所示，这个偏差在由给定像素集(pixlet)限定的每个图像部分250的周边周围可能最大。因此，图4和7表示后投影屏幕体系结构，其适应非校准、倾斜入射显示光同时在屏幕上提供相对均匀的角亮度。

图4是示出根据本公开实施例的后投影屏幕400一部分的横截面图。后投影屏幕400是图2和3A所示屏幕层215的一个实施方式；然而，应理解，后投影屏幕400不限于与具有图2和3A所示无缝平铺体系结构的显示器一起使用。而是，后投影屏幕400可与使用发散照明源的各种后投影显示器一起使用。

后投影屏幕400的所示实施例包括透镜阵列405、透明基板410、扩散层415、具有孔425的阵列的暗色膜420和保护层430。在所示的实施例中，后投影屏幕400可定位在透明层435(例如，玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯、塑料或其它透明基板)之上，透明层435利用垫片445从显示层440偏移以形成间隙450。例如，显示层445可表示图2和3A中所示的显示层210。应理解，图4仅示出了后投影屏幕400的小的横截面部分，后投影屏幕400是图4的X和Y平面中延伸的重复结构。

暗色膜420覆盖透明基板410的前侧的大部分。暗色膜420是涂覆在透明基板410的前侧之上的低反射率材料以减小环境光460的反向反射量，因此提高了投影屏幕400的对比度。然而，为了不阻挡从显示层440投影的大部分显示光465，透镜405聚焦和导向(例如，汇聚)入射的显示光465通过对应的孔425。透镜405在透明基板410的后侧以二维(“2D”)阵列设置以导向或聚焦后侧入射的显示光465通过暗色膜420中的孔425。在一个实施例中，透镜405和孔425之间一对一对应。

扩散层420设置在暗色膜420和透明基板410之间，并且特别是在孔420下通过。扩散层420作用以扩散显示光465用于射出孔524作为扩散的显示光470。扩散的显示光470从投影屏幕400的前侧提供图像的均匀、宽的视角。因此，扩散层415再发散由透镜405先前汇聚或聚焦的显示光465以提高图像均匀性和视角。在一个实施例中，扩散层415作为扩散的显示光470的朗伯辐射体或近朗伯辐射体作用。

与图1A-1D所示的投影屏幕不同，显示光470不需要沿着通过透明基板410法向入射并且垂直于暗色膜420的通过透镜405的光路被引导。这样，菲涅耳透镜不需要使倾斜入射的显示光改变方向到法向入射。而是，保留通过透明基板410且到暗色膜420的后侧上的显示光465的倾斜入射。相反，扩散层415作用以将高度定向和倾斜的显示光465转换成扩散的显示光470(例如，朗伯光)，所述扩散的显示光470可从具有角亮度均匀性的宽范围的视角感知。菲涅耳透镜的除去降低了后投影屏幕400的制造复杂性和成本。此外，菲涅耳透镜的除去避免了可能在图2和3A所示的可平铺显示体系结构中引起的菲涅耳透镜和每个照明源220之间的对准问题。

透明层435采用玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯或其它光学级塑料制造，并且其厚度选择为实现从显示层440投影的发散的显示光465的所希望的放大系数。类似地，透明基板410也可由玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯或其它光学级塑料制造，并且其厚度对应于透镜405的大约平均焦距，以使大部分显示光465被引导通过孔425。在一个实施例中，透镜405的光焦度可在阵列上变化以适应由于显示光465的发散引起的可变长度的光路。例如，在一个实施例中，透镜405离给定的像素的周边越近或者偏离它们对应的照明源中心越远，透镜405具有增大的焦距(减小的光焦度)。该可变的焦距可通过逐渐变化阵列上的透镜405的曲率和/或折射系数而实现。

扩散层415由以朗伯图案或近朗伯图案发射光学扩散光的材料制造。在一个实施例中，扩散层415是散射层，其以朗伯图案散射显示光465。散射层可采用悬浮在光学透射材料内的光散射颗粒制造。例如，散射颗粒可由聚四氟乙烯(“PTFE”)颗粒、硫酸钡或其它散射材料制造。在另一个实施例中，散射层可为磨砂玻璃层。在所示的实施例中，扩散层415设置为恰在暗色膜420下以散射通过孔420的显示光465。暗色膜420可由低反射率、磨砂黑色材料制造，所述材料图案化以形成孔425。例如，暗色膜420可类似于液晶显示器中用在掩盖像素中的材料。

在另一个实施例中，扩散层可由波长转换层制造，波长转换层吸收显示光465且将它以扩散的、近似朗伯图案在不同的波长再发射。图5是示出根据本公开实施例的采用波长转换层的后投影屏幕500一部分的横截面图。后投影屏幕500类似于后投影屏幕400，但是采用波长转换层515实施图4中的扩散层415。后投影屏幕500的所示实施例包括透镜405的阵列、透明基板410、滤光器层505、波长转换层515、具有孔425的阵列的暗色膜420和保护层430。应理解，图5仅示出了后投影屏幕500的小的横截面部分，后投影屏幕500是在图5的X和Y平面中延伸的重复结构。

波长转换层515可采用各种不同的材料制造，所述材料在一个波长上吸收显示光465且在一个或多个不同波长上再发射扩散的显示光470。例如，波长转换层515可采用荧光体或量子点矩阵实施。在所示的实施例中，波长转换层515图案化成三色阵列，包括标注为R(红)、G(绿)和B(蓝)的彩色区域以提供全彩色显示。在其它实施例中，可实施其它的色彩方案(例如，青色、品红、黄或其它)。在量子点阵列的情况下，每个颜色部分可包括具有以相关颜色光谱(例如，R、G、B或C、M、Y或其它)辐射的量子能状态的量子点。以这种方式，每个孔425对应于不同颜色的像素，且一组三个孔425对应于全彩色宏像素组。

波长转换层515的再辐射性质导致扩散显示光470在所有方向上辐射。因此，在一个实施例中，滤光器层505被包括以阻挡扩散的显示光470的反向散射(backscattering)。滤光器层505通过显示光465，所述显示光465作用为泵浦波长(例如，紫外泵浦光)，其激发波长转换层515内的再辐射颗粒，但是阻挡由波长转换层515输出的扩散的显示光470。通过阻挡反向散射的扩散的显示光470，减小了相邻显示像素之间的串扰，因此提高了图像对比度。

在一个实施例中，透镜405的阵列和孔425的阵列是规则的阵列，其每一个具有不变的分隔间距。在一个实施例中，相邻孔425之间的分隔间距大于相邻透镜405之间的分隔间距。孔425的较大的分隔间距适应显示光465的发散倾斜角。在该实施例中，直接定位在显示层440的照明源或背光之上的中心孔425与其对应的透镜405垂直对齐，因为该像素的显示光线法向入射。然而，孔425的较大分隔间距导致随着距中心排列的孔425的距离线性增加孔425和它们的对应透镜405之间的偏移量。该增加的偏移量适应来自近点光源的非校准背光，如图2和3A所示的可平铺体系结构中所用。在使用校准背光的后投影实施例中，孔425和透镜405的分隔间距可相等。

图6A-C示出了根据本公开实施例的用于实施透镜405的各种透镜体系结构。图6A示出了单面微透镜601的截面图。单面微透镜601的所示实施例包括形成到透明片610内的凹面605、另一个透明片615、以及设置在由凹面605和透明片615限定的空隙内的光学粘合剂620。光学粘合剂620与透明片610具有不同的折射系数，并且另外用于将透明片610粘接到透明片615，形成密封的微透镜夹层结构。例如，光学粘合剂620可包括Norland光学粘合剂，其n＝1.64，或者Loctite5192等。应理解，图6A示出了仅一个单面微透镜601的截面图；然而，实际上，透明片610可包括凹面605的二维阵列。透明片610和615可由玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯或其它光学级塑料制造。在一个实施例中，单面微透镜601阵列通过将凹面605阵列的阴印痕压制或者模制到透明片610中而制造。

图6B示出了双面微透镜602的横截面图。双面微透镜602的所示实施例包括形成在透明片630中的凹面625、形成到透明片640中的另一个凹面635、以及设置在由凹面625和635限定的空隙内的光学粘合剂645。光学粘合剂645与透明片630和640具有不同的折射系数，并且另外用于将透明片630粘结到透明片640以形成密封的微透镜夹层结构。例如，光学粘合剂645可包括Norland光学粘合剂，其n＝1.64，或者Loctite5192等。应理解，图6B示出了仅一个双面微透镜602的横截面图；然而，实际上，透明片630和640可分别包括凹面625和635的二维阵列。透明片630和640可由玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯或其他光学级塑料制造。在一个实施例中，双面微透镜阵列602通过将凹面625和635的阵列的阴印痕压制或模制到透明片630和640中而制造。

双面微透镜602的双面透镜结构可设计为提高透镜结构的光焦度以便于更薄的透明基板410和更紧凑的投影屏幕。另外，双面透镜结构可设计为使凹面625的焦点落在凹面635上，这引起主光线重新定向为平行于光轴且垂直于投影屏幕的表面。该设计可帮助改善角亮度均匀性。

图6C示出了双面微透镜603的横截面图。双面微透镜603的所示实施例包括透明层650，具有设置在第一侧上的第一微透镜655和设置在与第一微透镜655相对的第二侧上的第二微透镜660。透明层650可由玻璃、丙烯酸、聚碳酸酯或其它光学级塑料制造。微透镜655和660可以在彼此相对的方向上排列。微透镜655和660可模制到透明层650的表面中或者采用图案化和回流技术等沉积其上等。微透镜655和660可具有相同或不同的折射系数，也可与透明基板650相同或不同。应理解，图6C示出了仅一个双面微透镜603的横截面图，然而，实际上，微透镜655和660的二维阵列沿着透明基板650的侧面延伸。

双面微透镜603的双面透镜结构可设计为提高透镜结构的光焦度以便于更薄的透明基板410和更紧凑的投影屏幕。另外，双面透镜结构可被设计以使得微透镜655的焦点基本上与微透镜660一致，这引起主光线重新定向为平行于光轴且垂直于投影屏幕的表面。该设计可帮助改善角亮度均匀性。

上面的本发明所示实施例的描述，包括在摘要中描述的内容，不意味着穷举或者限制本发明到所公开的精确形式。尽管这里为了说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是在本发明的范围内各种修改是可能的，如相关领域的技术人员所理解。

这些对本发明的修改可鉴于上面的详细描述进行。所附权利要求中所用的术语不应解释为限制本发明到说明书中公开的具体实施例。而是，本发明的范围完全由所附权利要求决定，所述权利要求应根据权利要求解释的确定原则解释。